(57)【要約】  表面フィギュアが少ないコーティングを備える光学素子について記載する。上記光学素子は、２つ以上の表面上にコーティングを含む。上記コーティングのうちの少なくとも１つは、応力補償層を含む。上記応力補償層が存在しないと、上記コーティングに応力のミスマッチが生じる。応力の差異は表面フィギュアを増大させ、上記光学素子によって反射及び／又は透過された光信号の波面を歪ませる。上記応力補償層は、応力のミスマッチを低減するように作用し、表面フィギュアが低減され、波面の歪みが低減されたコーティングをもたらす。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の表面及び第２の表面を有する、基板；
前記第１の表面上の第１のコーティングであって、前記第１のコーティングは第１のコーティング応力を有し、第１の層を含み、前記第１の層は第１の材料を含み、前記第１の材料は前記第１の層内で第１の層応力を有する、第１のコーティング；
前記第２の表面上の第２のコーティングであって、前記第２のコーティングは第２のコーティング応力を有し、第２の層を含み、前記第２の層は前記第１の材料を含み、前記第１の材料は前記第２の層内で、前記第１の層応力より大きな第２の層応力を有する、第２のコーティング
を備える、光学素子。
【請求項２】
前記第１の層応力は圧縮応力であり、前記第２の層応力は圧縮応力である、請求項１に記載の光学素子。
【請求項３】
前記第１のコーティングは第３の層を更に含み、前記第３の層は第２の材料を含み、前記第２の材料は前記第１の材料と組成が異なる、請求項１又は２に記載の光学素子。
【請求項４】
前記第２のコーティングは第３の層を更に含み、前記第３の層は第２の材料を含み、前記第２の材料は前記第１の材料と組成が異なる、請求項１又は２に記載の光学素子。
【請求項５】
前記第１の材料は酸化物であり、前記第２の材料は金属フッ化物である、請求項４に記載の光学素子。
【請求項６】
前記第１のコーティングは複数の第３の層を更に含み、各前記第３の層は第２の材料を含み、前記第２の材料は前記第１の材料と組成が異なる、請求項５に記載の光学素子。
【請求項７】
前記第２のコーティングは第４の層を更に含み、前記第４の層は第３の材料を含み、前記第３の材料は前記第１の材料と組成が異なる、請求項６に記載の光学素子。
【請求項８】
第１の表面及び第２の表面を有する、基板；
前記第１の表面上の第１のコーティングであって、前記第１のコーティングは第１の層を含み、前記第１の層は第１の材料を含み、前記第１の材料は前記第１の層内で第１の密度を有する、第１のコーティング；
前記第２の表面上の第２のコーティングであって、前記第２のコーティングは第２の層を含み、前記第２の層は前記第１の材料を含み、前記第１の材料は前記第２の層内で、前記第１の密度より大きな第２の密度を有する、第２のコーティング
を備える、光学素子。
【請求項９】
光学素子を形成する方法であって、
前記光学素子は：
基板の第１の表面上に第１のコーティングを形成するステップであって、前記第１のコーティングは第１のコーティング応力を有し、第１の層を含み、前記第１の層は第１の材料を含み、前記第１の材料は前記第１の層内で第１の層応力を有する、ステップ；及び
前記基板の第２の表面上に第２のコーティングを形成するステップであって、前記第２のコーティングは第２のコーティング応力を有し、第２の層を含み、前記第２の層は前記第１の材料を含み、前記第１の材料は前記第２の層内で、前記第１の層応力より大きな第２の層応力を有する、ステップ
を備える、方法。
【請求項１０】
前記第１のコーティング応力を相殺するために、前記第２の層内の前記第１の材料の厚さを制御するステップ、又は前記第１のコーティング応力を相殺するために、前記第２の層応力を制御するステップを更に含む、請求項９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【優先権】
【０００１】
本出願は、米国特許法第１１９条の下で、２０１６年７月２１日出願の米国仮特許出願第６２／３６５，０６６号の優先権の利益を主張するものであり、上記仮特許出願の内容は信頼できるものであり、参照によりその全体が本出願に援用される。
【技術分野】
【０００２】
本記載は、コーティング済み光学素子に関する。より詳細には、本記載は、表面フィギュア（ｓｕｒｆａｃｅ  ｆｉｇｕｒｅ）が少ないコーティング済み光学素子に関する。最も詳細には、本記載は、２つ以上のコーティングを有する光学素子に関し、上記コーティング内の応力を平衡化することによって、コーティング表面に高い平坦性及び少ないフィギュアが提供される。
【背景技術】
【０００３】
精密光学系及びレーザ光学系における多くの用途で、多層コーティングを備える光学素子が必要とされる。代表的な光学素子としては、ビームスプリッタ、反射防止光学系、１／４波長板及びバンドパスフィルタが挙げられる。一貫した性能を達成し、ますます厳格な性能仕様を満たすために、多層コーティングが低い損失、高い耐久性及び最小の表面歪みを示すことが重要である。
【０００４】
多層コーティングは、異なる材料製の２つ以上の層を含む。多くの多層コーティングは例えば、高屈折率材料の層と低屈折率材料の層との交互のシーケンスを含む。多層コーティングに使用される一般的な材料としては、金属酸化物、金属フッ化物、ＳｉＯ２、及びＦドープＳｉＯ２が挙げられる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
光学素子用コーティングに関連する問題の１つは、応力である。多層コーティングの形成に使用される材料又は材料の組み合わせは典型的には、圧縮応力又は引張応力下にある。応力は、基板との格子のミスマッチ、欠陥、組成の不均一性、不純物、堆積方法、及びコーティング内の層の熱履歴、並びに基板とコーティングとの間のＣＴＥ（熱膨張係数）のミスマッチといった因子によって生じる。コーティング応力は、光学素子が透過又は反射させた光ビームの波面に歪みを生じさせる、光学素子の表面の変形につながるため、望ましくない。表面の変形をほとんど又は全く示さない多層コーティングを備える光学素子に対する需要が存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
表面フィギュアが少ないコーティングを備える光学素子について記載する。少ない表面フィギュアは、コーティング応力の平衡化によって達成される。上記光学素子は、２つ以上の表面上にコーティングを含む。上記コーティングのうちの少なくとも１つは、応力補償層を含む。上記応力補償層が存在しないと、上記コーティングに応力のミスマッチが生じる。応力の差異は表面フィギュアを増大させ、上記光学素子から反射した、及び／又は上記光学素子を透過した光信号の波面を歪ませる。上記応力補償層は、応力のミスマッチを低減するように作用し、表面フィギュアが低減され、波面の歪みが低減されたコーティングをもたらす。
【０００７】
一実施形態では、上記光学素子は、基板の２つの表面上に２つのコーティングを含む。上記２つの表面は隣接しているか対向しており、平行であってよい。上記コーティングは、単層コーティング又は多層コーティングであってよい。各コーティングは、他のコーティング内のある層と同一の組成を有する少なくとも１つの層を含み、上記同一の組成の層は、応力又は密度が異なっている。上記同一の組成の層の相対的な応力又は相対的な密度を調整することにより、上記２つのコーティングの合計応力を平衡化できる。例えば、あるコーティングの応力を調整することにより、別のコーティングの応力を平衡化できる。最終結果は、上記光学素子の表面フィギュアの低減及び波面歪みの低減を特徴とする、応力平衡化済みコーティングである。
【０００８】
上記コーティングの層に好適な材料としては、ＳｉＯ２、金属酸化物及び金属フッ化物が挙げられる。一実施形態では、上記層はプラズマイオンアシスト堆積によって形成され、ここでは、堆積条件を変更することによって層応力又は層密度を調整でき、これによって堆積中に上記層に伝達される１原子あたりの運動量の量を制御できる。
【０００９】
本開示は：
第１の表面及び第２の表面を有する、基板；
上記第１の表面上の第１のコーティングであって、上記第１のコーティングは第１のコーティング応力を有し、第１の層を含み、上記第１の層は第１の材料を含み、上記第１の材料は上記第１の層内で第１の層応力を有する、第１のコーティング；
上記第２の表面上の第２のコーティングであって、上記第２のコーティングは第２のコーティング応力を有し、第２の層を含み、上記第２の層は上記第１の材料を含み、上記第１の材料は上記第２の層内で、上記第１の層応力より大きな第２の層応力を有する、第２のコーティング
を備える、光学素子を包含する。
【００１０】
本開示は：
第１の表面及び第２の表面を有する、基板；
上記第１の表面上の第１のコーティングであって、上記第１のコーティングは第１の層を含み、上記第１の層は第１の材料を含み、上記第１の材料は上記第１の層内で第１の密度を有する、第１のコーティング；
上記第２の表面上の第２のコーティングであって、上記第２のコーティングは第２の層を含み、上記第２の層は上記第１の材料を含み、上記第１の材料は上記第２の層内で、上記第１の密度より大きな第２の密度を有する、第２のコーティング
を備える、光学素子を包含する。
【００１１】
本開示は：
基板の第１の表面上に第１のコーティングを形成するステップであって、上記第１のコーティングは第１のコーティング応力を有し、第１の層を含み、上記第１の層は第１の材料を含み、上記第１の材料は上記第１の層内で第１の層応力を有する、ステップ；及び
上記基板の第２の表面上に第２のコーティングを形成するステップであって、上記第２のコーティングは第２のコーティング応力を有し、第２の層を含み、上記第２の層は上記第１の材料を含み、上記第１の材料は上記第２の層内で、上記第１の層応力より大きな第２の層応力を有する、ステップ
を備える、光学素子を形成する方法を包含する。
【００１２】
更なる特徴及び利点は、以下の「発明を実施するための形態」に記載され、またその一部は、当業者には、「発明を実施するための形態」の記載から容易に明らかとなるか、又は本明細書及び請求項並びに添付の図面に記載される実施形態を実践することにより認識されるであろう。
【００１３】
以上の「発明の概要」及び以下の「発明を実施するための形態」はいずれも例示的なものにすぎず、請求項の本質及び特性を理解するための概観又は枠組みを提供することを意図したものであることを理解されたい。
【００１４】
添付の図面は、更なる理解を提供するために含まれており、また本明細書に組み込まれて本明細書の一部を構成する。これらの図面は、本記載の選択された態様を例示し、本明細書と併せて、本説明に包含される方法、製品及び組成物の原理及び動作を説明する役割を果たす。図面に示されている特徴は、本説明の選択された実施形態の例示であり、必ずしも適切な縮尺で描画されていない。
【００１５】
本明細書は、本説明の主題を特に指摘して明確に請求する特許請求の範囲で結ばれるが、本明細書は、以下の説明を添付の図面と共に解釈することによって、より良好に理解されると考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】基板の対向する表面上にビーム分割コーティング及び反射防止コーティングを有する、光学素子
【図２】入射角４５°に関する、図１に示す光学素子のビーム分割コーティングの反射率及び透過率の、算出された波長依存性
【図３】入射角４５°に関する、図１に示す光学素子の反射防止コーティングの反射率及び透過率の、算出された波長依存性
【図４】薄膜材料のＰＩＡＤ堆積のためのシステム
【図５】溶融シリカ基板の表面の画像
【図６】溶融シリカ基板上のビーム分割コーティングの表面の画像
【図７】３つの厚さのＳｉＯ２層に関する、１原子あたりの運動量伝達の関数としての圧縮応力
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図示されている実施形態は本質的に例示であり、「発明を実施するための形態」又は特許請求の範囲の範囲を限定することを意図したものではない。可能な限り、図面全体を通して、同一の又は同様の特徴を指すために同一の参照番号を使用する。
【００１８】
本開示は、本発明を実現可能とする教示として提供されるものであり、以下の説明、図面、実施例及び特許請求の範囲を参照することにより、より容易に理解できる。この目的のために、関連技術分野の当業者は、本明細書に記載の実施形態の様々な態様に対して多くの変更を実施しても、その有益な結果を依然として得られることを認識及び理解するであろう。また、これらの実施形態の望ましい便益のうちの一部を、複数の特徴のうちの一部を選択し、他の特徴を利用しないことによっても得ることができることは、明らかであろう。従って当業者は、多くの修正及び適合が可能であり、また特定の状況においては望ましい場合さえあり、これらが本開示の一部であることを認識するだろう。従って、別段の記載がない限り、本開示は、開示されている具体的な組成物、物品、デバイス及び方法に限定されないことを理解されたい。また、本明細書で使用される用語法は、特定の態様を説明することのみを目的としたものであり、限定を意図したものではないことも理解されたい。
【００１９】
開示されるのは、本開示の反射用光学素子及び上記反射用光学素子の作製方法のために使用できる、本開示の反射用光学素子及び上記反射用光学素子の作製方法と組み合わせて使用できる、本開示の反射用光学素子及び上記反射用光学素子の作製方法の準備に使用できる、又は本開示の反射用光学素子及び上記反射用光学素子の作製方法の実施形態として使用できる、構成要素（材料、化合物、組成物及び方法ステップを含む）である。上記構成要素の組み合わせ又はサブセット、相互作用が開示されている場合、明記されていなくても、各構成要素、及び２つ以上の構成要素の各組み合わせも考慮され、本明細書中で開示されるものとするこが理解される。例えば構成要素Ａ、Ｂ及びＣの組み合わせが開示される場合、Ａ、Ｂ及びＣがそれぞれ独立して開示され、各組み合わせＡ‐Ｂ、Ｂ‐Ｃ、Ａ‐Ｃ及びＡ‐Ｂ‐Ｃも同様である。同様に、構成要素Ｄ、Ｅ及びＦが個別に開示されている場合、各組み合わせＤ‐Ｅ、Ｅ‐Ｆ、Ｄ‐Ｆ及びＤ‐Ｅ‐Ｆも開示される。この概念は、材料、化合物、組成物、及び方法のステップに相当する構成要素を含むがこれらに限定されない、本開示の全ての態様に適用される。
【００２０】
本明細書、及び後続の特許請求の範囲において、以下の意味を有するものとして定義される多数の用語を参照する。
【００２１】
「…を含む（ｉｎｃｌｕｄｅ、ｉｎｃｌｕｄｅｓ等の用語）」は、包含するものの限定しないこと、即ち包括的ではあるものの排他的ではないことを意味する。
【００２２】
用語「約（ａｂｏｕｔ）」は、別段の記載がない限り、全ての項を修飾する。例えば「約１、２、又は３」は「約１、約２、又は約３」と同等であり、更に約１〜３、約１〜２、及び約２〜３を含む。組成物、成分、原料、添加剤及び同様の態様に関して開示されている具体的な好ましい値、並びにその範囲は、単なる例示のためのものであり、他の定義された値、又は定義された範囲内の他の値を排除するものではない。本開示の組成物及び方法は、本明細書に記載のいずれの値、又は複数の値、具体的な値、より具体的な値及び好ましい値のいずれの組み合わせを有するものを含む。
【００２３】
本明細書中で使用される場合、不定冠詞「ａ」又は「ａｎ」及びこれに対応する定冠詞「ｔｈｅ」は、別段の記載がない限り、「少なくとも１つの（ａｔ  ｌｅａｓｔ  ｏｎｅ）」又は「１つ以上の（ｏｎｅ  ｏｒ  ｍｏｒｅ）」を意味する。
【００２４】
「接触（ｃｏｎｔａｃｔ）」は、直接接触又は間接接触を指す。直接接触は、介在材料が存在しない接触を指し、間接接触は、１つ以上の介在材料を通した接触を指す。直接接触状態の要素は互いに接している。間接接触状態の要素は、互いに接していないが、一方の要素から他方の要素まで延在する介在材料又は一連の介在材料に接しており、各要素が上記介在材料、又は上記一連の介在材料のうちの少なくとも１つに接する。接触状態の要素は、しっかりと接合されていても、緩く接合されていてもよい。「接触させること（ｃｏｎｔａｃｔｉｎｇ）」は、２つの要素を直接接触又は間接接触の状態に配置することを指す。直接（間接）接触状態の要素は、「互いに直接（間接的に）接触している（ｄｉｒｅｃｔｌｙ  （ｉｎｄｉｒｅｃｔｌｙ）  ｃｏｎｔａｃｔ  ｅａｃｈ  ｏｔｈｅｒ）」と言い表される。
【００２５】
「〜の上に（ｏｎ）」は、ある層が別の層に接触して、この別の層の上に延在する関係を指す。例えば光学素子が、基板、上記基板と直接接触する層Ａ、及び層Ａに直接接触し、かつ上記基板に間接的に接触する層Ｂを含む場合、層Ａ及びＢは基板上にあると言うことができ、また層Ｂは層Ａの上にあると言うことができる。しかしながら層Ａは、層Ｂの上にあると言うことはできない。
【００２６】
「表面フィギュア（ｓｕｒｆａｃｅ  ｆｉｇｕｒｅ）」は、不規則性及びムラ（ｐｏｗｅｒ）を含む表面の形状を指す。不規則性は非対称である。ムラは対称であり、凹状形状又は凸状形状に対応する。不規則性は表面仕上げによって左右されるが、ムラはコーティング応力に影響される。
【００２７】
「ムラ（ｐｏｗｅｒ）」は、光学素子の表面の、平面構成からの逸脱を指す。平面性からの代表的な逸脱としては、表面に凹状又は凸状の特徴部分を生成する湾曲が挙げられる。上記凹状又は凸状の特徴部分は、表面全体に延在しても、表面のいくつかの部分に延在してもよい。
【００２８】
光学素子の表面は、上記光学素子の外側境界に対応する。光学素子は２つ以上の表面を有する場合がある。異なる複数の表面は、縁部、頂点、又はその他の表面の不連続部分によって分離される。例えば立方体は６つの表面を有し（各面が表面となる）、円筒形は３つの表面（上面、底面、及び中間部の丸まった表面）を有する。基板がコーティングされていない場合、表面は基板の表面を指す。基板がコーティングされている場合、表面はコーティングの表面である。コーティングが多層コーティングである場合、表面は基板から最も離れた層を指す。コーティングされているかいないかにかかわらず、「基板の表面」は、基板表面を指すことができる。「コーティングの表面」は、コーティング表面を指すことができる。「隣接する表面（ａｄｊａｃｅｎｔ  ｓｕｒｆａｃｅｓ）」は、縁部、頂点、又はその他の表面の不連続部分を共有する複数の表面である。「対向する表面（ｏｐｐｏｓｉｎｇ  ｓｕｒｆａｃｅｓ）」は縁部、頂点、又はその他の表面の不連続部分を共有しない複数の表面である。対向する表面は平行であってよい。例えば円筒形の上面及び底面は対向しているが、円筒形の上面と、中間部の丸まった表面とは隣接している。
【００２９】
「コーティング（ｃｏａｔｉｎｇ）」は、基板の表面上に形成された一つ以上の層のシーケンスを指す。コーティング内の層の順序は、基板に対して記述されることになる。本明細書における層の順序の記述は、基板の配向とは無関係である。基板は光学素子の基部を形成する。基板と接触する層は基板「上に延在する（ｏｖｅｒｌｉｅ）」と言われる。基板上に２つ以上の層が形成される場合、第１の層が第２の層よりも基板から離れている場合には、第１の層は第２の層上に延在すると言われる。第１の層が第２の層上に延在する場合、第２の層は、第１の層「の下に延在する（ｕｎｄｅｒｌｉｅ）」と言われる。互いの下又は上に延在する層は、互いに直接接触しても、間接的に接触してもよい。例えば光学素子が、基板、上記基板と直接接触する層Ａ、層Ａに直接接触し、かつ上記基板に間接的に接触する層Ｂ、及び層Ｂに直接接触し、かつ層Ａ及び上記基板に間接的に接触する層Ｃを含む場合、層Ａ、Ｂ及びＣはそれぞれ、基板上に延在すると言うことができる。層Ａは、層Ｂ及びＣの下に延在すると言うことができる。層Ｂは、層Ａの上に延在し、かつ層Ｃの下に延在すると言うことができる。層Ｃは、層Ａ及びＢの上に延在すると言うことができる。層Ａ及びＢは、基板と層Ｃとの間にあると言うことができる。層Ｂは、層Ａと層Ｃとの間にあると言うことができる。
【００３０】
「コーティング応力（ｃｏａｔｉｎｇ  ｓｔｒｅｓｓ）」は、コーティング内に存在する全ての層の合計応力を指す。「層応力（ｌａｙｅｒ  ｓｔｒｅｓｓ）」は、コーティング内の個々の層の応力を指す。コーティングが単層のみからなる場合、コーティング応力と層応力とは等しい。
【００３１】
特段の記載がない限り、表面フィギュアは干渉法で決定され、６３２．８ｎｍの波長に基づく干渉縞の数として表現される。干渉法のための測定波長は、６３２．８ｎｍ又は別の波長であってよい。６３２．８ｎｍ以外の波長を用いる場合、測定された干渉縞の数は、対応する６３２．８ｎｍでの干渉縞の数に変換される。少ない（比較的少ない）表面フィギュアは、少数（より少数）の干渉縞を有する表面を意味し、多い（比較的多い）表面フィギュアは、多数（より多数）の干渉縞を有する表面を意味する。比較的少ないフィギュアは、平面性からの逸脱の小ささに対応し、比較的多いフィギュアは、平面性からの逸脱の大きさに対応する。
【００３２】
「応力補償層（ｓｔｒｅｓｓ‐ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｎｇ  ｌａｙｅｒ）」は、コーティングの応力を修正するためにコーティングに含まれる層を指す。基板の一方の表面上のコーティング内の応力補償層は、該コーティング内の応力と、基板のもう一方の表面上の別のコーティング内の応力との間の差異を（完全に又は部分的に）相殺するよう作用する。基板の２つの表面上のコーティングの応力間の差異は、応力補償層を含む場合よりも、応力補償層を含まない場合の方が大きい。
【００３３】
これより、本記載の例示的な実施形態について詳細に言及する。
【００３４】
本記載は、表面フィギュアが少ない光学素子を提供する。上記光学素子は、基板と、２つ以上の基板表面上のコーティングとを含む。上記コーティングは、上記光学素子の機能性を増進するよう設計された光学コーティングである。実施形態は、ビーム分割コーティング及び反射防止コーティングを含む。異なる光学的機能性を有するコーティングを、基板の異なる複数の表面上に配置してよい。基板の上記異なる複数の表面は、隣接していても対向していてもよい。
【００３５】
上記光学素子は２つ以上のコーティングを含み、各コーティングは、圧縮応力又は引張応力下にある。しかしながら上記コーティングは、光学素子の表面のフィギュア上のあるコーティングの応力が、１つ以上の他のコーティングの応力によって平衡化されて、上記表面の上記フィギュアの最終的な低減が提供されるように設計される。
【００３６】
本発明のコーティング内の層の組成は、ＳｉＯ２又は金属酸化物等の酸化物と、金属フッ化物等のフッ化物とを含む。金属酸化物としては、遷移金属酸化物及び希土類酸化物が挙げられる。金属フッ化物としては、遷移金属フッ化物及び希土類フッ化物が挙げられる。代表的な層の組成は、ＳｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、ＴｉＯ２、Ｎｂ２Ｏ５、ＨｆＯ２、Ｙｂ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＦ３、ＧｄＦ３、ＬａＦ３、ＹＦ３、ＹｂＦ３、及びＭｇＦ２を含む。
【００３７】
図１は、２つの対向する表面上にコーティングを有する光学素子を示す。光学素子１０は、基板１５、前面２０及び背面２５を含むビームスプリッタである。前面２０及び背面２５は、基板１５の対向する表面である。基板１５は高純度溶融シリカ（ｈｉｇｈ  ｐｕｒｉｔｙ  ｆｕｓｅｄ  ｓｉｌｉｃａ：ＨＰＦＳ）である。前面２０はビーム分割コーティングＢＳを含み、背面２５は反射防止コーティングＡＲを含む。入射光３０は前面２０に４５°の角度で衝突し、一部が反射され、一部が透過して、反射光３５及び透過光４０を提供する。
【００３８】
ビーム分割コーティングＢＳは、Ｔａ２Ｏ５／ＳｉＯ２の組み合わせを２２周期含む。第１の周期では、Ｔａ２Ｏ５層が基板１５上に堆積され、ＳｉＯ２層がＴａ２Ｏ５層上に形成される。この２層の周期が反復されて、２２周期の積層体が形成される。各周期において、Ｔａ２Ｏ５層の厚さは３６．４ｎｍであり、ＳｉＯ２層の厚さは５４．５ｎｍである。ビーム分割コーティングＢＳの総厚さは２０００ｎｍである。反射防止コーティングＡＲは、基板１５に直接接触する９ｎｍ厚のＴａ２Ｏ５層と、上記９ｎｍ厚のＴａ２Ｏ５層の上に形成された９７ｎｍ厚のＭｇＦ２層とを含む、２層積層体である。図２は、入射角４５°における、ビーム分割コーティングＢＳの反射率及び透過率の、算出された波長依存性を示す。その結果は、約３３５ｎｍ〜３６５ｎｍの波長範囲にわたって３０／７０（３０％の反射率、７０％の透過率）の分割比を示している。図３は、入射角４５°における、反射防止コーティングＡＲの反射率及び透過率の、算出された波長依存性を示す。
【００３９】
反射防止コーティングＡＲのＭｇＦ２層は、ＭｇＦ２ソース材料の、熱ボートによる熱蒸着又は電子ビーム蒸着によって調製された。基板温度は２４０℃であった。
【００４０】
ビーム分割コーティングＢＳ及び反射防止コーティングＡＲのＴａ２Ｏ５層及びＳｉＯ２層は、ＰＩＡＤ（プラズマイオン支援堆積）技法を用いて堆積させた。図４はＰＩＡＤ堆積装置１０を示し、これは、中に基板２１が配置される真空チャンバ２６と、標的２９に衝突して、基板２１上への堆積のために反転マスク２４の中央開口を通過する蒸気フラックス２０を生成する、電子ビーム２８とを有する。反転マスクの代わりに部分マスクを用いてもよい。更に装置１０は、プラズマ２２を生成するプラズマ源２３を含む。プラズマ２２由来のイオンは基板２１に向けられる。
【００４１】
基板２１のゾーンα及びβは、基板２１上に形成される材料とのプラズマイオンの相互作用の機序が異なる複数の領域を定義する。反転マスク２４の開口は、電子ビーム２８によって標的２９から材料が蒸発したときに生成される蒸気フラックス２０の角度分布を制限するアパーチャとして作用する。蒸気フラックス２０の制限された角度分布は、基板２１上の蒸気フラックス２０の被覆範囲を限定する。ゾーンαは、蒸気フラックス２０が衝突する基板２１の領域に対応する。ゾーンβは、蒸気フラックス２０が衝突する上記領域の外側の基板２１の領域である。上記フラックス２０による基板２１の被覆は、ゾーンαに限定される。その結果、材料の堆積はゾーンαで発生し、ゾーンβでは発生しない。対照的に、プラズマ２２による基板２１の被覆は、ゾーンα及びゾーンβに広がる。材料はゾーンαに堆積されるため、この材料にはプラズマイオンが当たる。プラズマイオンは堆積された材料に運動量を伝達し、材料の圧縮された密な層をもたらす。材料の堆積はゾーンβでは発生しないが、過去に堆積された材料は継続的にプラズマイオンに曝露される。ゾーンβの、過去に堆積された材料に対して、プラズマイオンから伝達される運動量は、上記過去に堆積された材料の表面の平滑化をもたらす。基板２１は回転数ｆで回転して、基板２１の表面にわたって堆積された材料の密度の均一性及び平滑性を提供する。代表的な回転数は、０．１ｎｍ／秒〜１０．０ｎｍ／秒、又は０．３ｎｍ／秒〜５．０ｎｍ／秒、又は０．７ｎｍ／秒〜２．０ｎｍ／秒の堆積速度に関して、４ｒｐｍ〜２０ｒｐｍ、又は８ｒｐｍ〜１８ｒｐｍ、又は１２ｒｐｍ〜１５ｒｐｍである。
【００４２】
全コーティングプロセスは、式（１）：
【００４３】
【数１】
2019523448.tif 000003
【００４４】
に示すように、コーティングプロセス中の、（ａ．ｕ．  ｅＶ）０．５を単位とする、ゾーンαの運動量伝達Ｐαとゾーンβの運動量伝達Ｐβの合計としての、堆積される１原子あたりの運動量Ｐによって記述でき、ここでＶｂはバイアス電圧（単位：ボルト）であり、Ｊｉはプラズマイオンフラックス（単位：イオン／（ｃｍ２秒））であり、ｍｉはプラズマイオン質量（原子単位（ａ．ｕ．））であり、Ｒは堆積速度（単位：ｎｍ／秒）であり、ｅは電荷であり、κは単位変換係数であり、ｎｓは堆積された材料の表面原子密度（単位：原子／ｃｍ２）であり、α及びβはそれぞれゾーンα及びゾーンβのサイズ（単位：基板の中心に対して測定されたラジアン）である。基板表面の電圧は典型的には接地電圧である。バイアス電圧は、堆積の発生時にプラズマ源と基板の表面との間に印加された電圧に対応する。本記載の目的のために、Ａｒプラズマが使用され、プラズマイオン質量ｍｉはＡｒ＋の質量に対応する。ＰＩＡＤ堆積技法に関する更なる情報は：米国特許第７，６８３，４５０号明細書；米国特許第８，１５３，２４１号明細書；及び米国特許第８，３９９，１１０号明細書で確認でき、これらの特許の開示は参照により本出願に援用される。
【００４５】
図２及び３によって例示されるように、指定された厚さ、順序、数及び組成の層の特定のシーケンスを有するコーティングに関する反射率及び透過率特性の算出は、光学素子の設計において有益である。設計は、コーティングの光学特性の正確で信頼できる算出によって、大幅に促進される。しかしながら算出の精度は、算出に使用される仮定に左右される。光学特性のほとんどの算出では、コーティングの層が平面であると仮定する。平面性からの逸脱は波面の歪みをもたらし、これは算出の精度を低下させる。
【００４６】
実際には、光学素子のコーティングの層を形成するために使用される材料中に、応力が発生する。コーティング応力への寄与因子としては：コーティングと基板との若しくはコーティング内の層間の格子のミスマッチ；層内の若しくは層間の境界面の欠陥；層の組成若しくは構造の不均一性；不純物、粒界及び他の微小構造特徴部分；堆積の方法；処理条件；並びに層の熱履歴が挙げられる。
【００４７】
コーティング応力は、基板及びコーティングの平面性からの逸脱をもたらす場合があるため、光学的設定において問題となる。この逸脱は、非平面状表面を有する光学素子をもたらす。非平面状表面は光学的ムラを有し、ムラ含有表面と呼ばれる場合がある。コーティング応力は引張応力又は圧縮応力となり得る。引張コーティング応力は凹状表面をもたらし、圧縮コーティング応力は凸状表面をもたらす。凸状表面は正のムラを有し、凹状表面は負のムラを有する。
【００４８】
図５は、コーティングされていない高純度溶融シリカ基板の画像を示す。この画像は、上記未コーティング基板の表面が高い平面性を有し、表面フィギュアのムラに関する寄与を略有しないことを示している。図６は、上記基板の対向する表面上にコーティングを堆積させた後の、光学素子の画像を示す。図６に示す光学素子は、図１に示す光学素子に対応する。この光学素子は、ビーム分割コーティングＢＳ及び反射防止コーティングＡＲを対向する表面上に備える図５の基板を含む。ビーム分割コーティングＢＳ及び反射防止コーティングＡＲは、図１に示す光学素子に関して上述したものであり、それぞれ基板の前面及び背面上に存在する。図６に示す表面は、ビーム分割コーティングＢＳの表面である。図６では、表面の平面性からの大きな逸脱が観察される。
【００４９】
この凹状の表面は、コーティング応力の結果である。コーティング応力は、基板の屈曲及び凹状表面の発生をもたらす。コーティング応力によって生成された凹状表面は、光学素子によって反射又は透過された光の波面に歪みを導入し、光学特性の正確な算出を困難にする。
【００５０】
図１及び６に示す光学素子の設計において、コーティング応力は考慮されなかった。コーティングは、所望の性能を達成するために設計された平面状の層に基づいて算出された光学特性に基づいて選択された。図６から明らかなように、算出された光学特性に基づく層及びコーティングの選択は、コーティング応力が表面の歪みを引き起こすため不十分である。
【００５１】
本記載は、光学素子の表面の歪みを補正してフィギュアを低減するための戦略を提供する。応力は一般に、光学基板のいずれの表面上に形成されたコーティング内に発生する。例えば図１及び６に示す光学素子では、応力はビーム分割コーティングＢＳ及び反射防止コーティングＡＲの両方に存在する。本記載は、応力がコーティング内で発生することを認識した上で、基板の異なる複数の表面上に形成されたコーティングからの応力を平衡化することによって、表面フィギュアに対するコーティングの影響を相殺することを目標とする。異なる複数の表面上に形成されたコーティング内の応力の管理により、表面フィギュアの非平面状の逸脱を相殺又は補正して、光学素子によって反射された又は光学素子を透過した光の波面の歪みを最小化できる。
【００５２】
層応力は、基板のコーティング前及び後に表面フィギュアを測定することによって決定できる。Ｓｔｏｎｅｙの式の修正形態を用いて、ヤング率Ｅｓ及びポアゾン比νｓを有する厚さｄｓの基板上の、厚さｄｆを有する個々の層の応力σｓを算出できる：
【００５３】
【数２】
2019523448.tif 000004
【００５４】
ここでλは、直径Ｄを有する透明なアパーチャにわたる波面の測定に使用される波長であり、Δｆは、波長λで測定された、コーティング済み基板のコーティングの表面の干渉縞の数と、未コーティング基板の表面の干渉縞の数との差である。ある表面に関して測定された干渉縞の数は、「干渉縞数（ｆｒｉｎｇｅ  ｃｏｕｎｔ）」と呼ばれる場合があり、これは表面フィギュアと相関する。Δｆは、干渉縞数の変化又は表面フィギュアの変化と呼ばれる。Δｆは、表面フィギュアに対する層の寄与を説明するものであり、コーティングが堆積される基板表面の初期フィギュアを考慮しない。慣例通り、σｓ＞０は引張応力に対応し、σｓ＜０は圧縮応力に対応する。νｓの可能な最大値は０．５であるため、引張応力はΔｆ＞０である場合に発生し、圧縮応力はΔｆ＜０である場合に発生する。引張応力は表面フィギュアの凹状の変形をもたらし、圧縮応力は表面フィギュアの凸状の変形をもたらす。
【００５５】
式（２）は、基板厚さｄｓが層厚さｄｆに比べて大きい場合に適用される。層及び基板に関する材料パラメータを把握することにより、コーティング前及び後の干渉縞数の測定による総応力の決定が可能となる。多層コーティングの応力はおおよそ、コーティングに内包された個々の層の応力の合計である。
【００５６】
本記載によると、層応力は、堆積技法に使用される条件によって制御できる。所与の組成の層に関して、堆積条件の変更によって異なるレベルの応力を得ることができる。一実施形態では、堆積技法はＰＩＡＤであり、応力は、堆積中の運動量伝達によって制御される。反転マスクの形状及び高さ、プラズマの条件（例えばバイアス電圧、プラズマイオンフラックス、プラズマイオン質量）、ゾーンα及びゾーンβのサイズ、並びに基板の回転数を調整することにより、ＰＩＡＤ技法を用いて表面上に堆積される原子への運動量伝達の量を制御できる。
【００５７】
図７は、厚さ１００ｎｍ（円）、５００ｎｍ（正方形）、及び１０００ｎｍ（三角形）のＳｉＯ２層に関して、堆積された原子あたりの運動量伝達Ｐの関数としてのＳｉＯ２層の圧縮応力を示す。運動量伝達Ｐは式（１）によって与えられ、データを取得したときの条件は、α＝２π及びβ＝０に対応する。このデータは、ＰＩＡＤ堆積中に運動量伝達Ｐを制御することによって、圧縮応力を広い範囲にわたって変動させることができることを示している。圧縮応力は、運動量伝達の増大と共に増大する。データの分析は、ＳｉＯ２層の圧縮応力σ（単位：ＭＰａ）が、以下の経験式
【００５８】
【数３】
2019523448.tif 000005
【００５９】
に従って、運動量伝達と共に変動することを示しており、ここでｄは層の厚さ（単位：ｎｍ）であり、Ｐは堆積される原子１つあたりの運動量伝達（単位：（ａ．ｕ．  ｅＶ）０．５）である。
【００６０】
理論に束縛されることを望むものではないが、運動量伝達が大きくなるほど層が密になるため、運動量伝達が大きくなるほど圧縮応力が大きくなると考えられる。層が密であるほど応力緩和に対する耐性が高く、堆積プロセスに伴う内部応力の大部分が保持されると考えられる。運動量伝達が減少して層密度が低下すると、層の構造は、内部応力の緩和を助長する構造的再配列に対して、よりオープンで、より適応したものとなる。
【００６１】
本発明の光学素子は、１つ以上の低応力層を備えるコーティングを含む。この低応力層は、層組成物の完全に高密度化された形態に比べて、低い密度を有する。本開示の目的のために、ＳｉＯ２の完全に高密度化された形態の密度は、運動量伝達Ｐの値＝２８０（ａ．ｕ．  ｅＶ）０．５）においてＰＩＡＤ技法によって生成されるＳｉＯ２の密度に対応し、上記密度は約２．２ｇ／ｃｍ３と予想される。
【００６２】
一実施形態では、光学素子は基板の一方の表面上に多層コーティングを含み、上記多層コーティングは同一の組成を有する２つの層を含み、上記同一の組成の２つの層は密度が異なる。上記多層コーティングは例えば、２つのＳｉＯ２の層を含んでよく、一方のＳｉＯ２の層は、他方のＳｉＯ２の層よりも高い又は低い密度を有する。関連する実施形態は、多層コーティング内に密度が異なる他の組成の２つ以上の層を包含する。
【００６３】
一実施形態では、光学素子は基板の一方の表面上に多層コーティングを含み、上記多層コーティングは同一の組成を有する２つの層を含み、上記同一の組成の２つの層は層応力が異なる。上記多層コーティングは例えば、２つのＳｉＯ２の層を含んでよく、一方のＳｉＯ２の層は、他方のＳｉＯ２の層よりも高い又は低い層応力を有する。関連する実施形態は、多層コーティング内に層応力が異なる他の組成の２つ以上の層を包含し、ここで層応力は圧縮応力又は引張応力である。
【００６４】
一実施形態では、光学素子は基板の２つの表面上に多層コーティングを含み、各上記多層コーティングは同一の組成を有する層を含み、上記同一の組成の２つの層は密度が異なる。一方の基板表面上の上記多層コーティングは例えば、１つのＳｉＯ２の層を含んでよく、他方の基板表面上の多層コーティングは、１つのＳｉＯ２の層を含んでよく、上記一方の基板表面上のＳｉＯ２の層は、上記他方の基板表面上のＳｉＯ２の層よりも高い又は低い密度を有する。
【００６５】
関連する実施形態は、基板の異なる表面上のコーティング内に、層応力又は密度が異なる他の組成の層を包含する。上記異なる基板表面は、隣接していても対向していてもよい。異なる基板表面上のコーティングは、層応力又は密度が異なる２つ以上の共通の組成の層を含んでもよい。一方の基板表面上の多層コーティングは例えば、１つのＳｉＯ２の層及び１つのＴａ２Ｏ５の層を含んでよく、他方の基板表面上の多層コーティングは、１つのＳｉＯ２の層及び１つのＴａ２Ｏ５の層を含んでよく、上記一方の基板表面上のＳｉＯ２の層は、上記他方の基板表面上のＳｉＯ２の層よりも高い若しくは低い層応力及び／又は高い若しくは低い密度を有し、上記一方の基板表面上のＴａ２Ｏ５の層は、上記他方の基板表面上のＴａ２Ｏ５の層よりも高い若しくは低い層応力及び／又は高い若しくは低い密度を有する。
【００６６】
一実施形態では、光学素子は基板の２つの表面上に多層コーティングを含み、各上記多層コーティングは同一の組成を有する層を含み、上記同一の組成の２つの層は層応力が異なる。一方の基板表面上の上記多層コーティングは例えば、１つのＳｉＯ２の層を含んでよく、他方の基板表面上の多層コーティングは、１つのＳｉＯ２の層を含んでよく、上記一方の基板表面上のＳｉＯ２の層は、上記他方の基板表面上のＳｉＯ２の層よりも高い圧縮応力を有する。関連する実施形態は、基板の異なる表面上のコーティング内に、層応力が異なる他の組成の層を内包する。上記異なる基板表面は、隣接していても対向していてもよく、上記応力は圧縮応力であっても引張応力であってもよい。異なる基板表面上のコーティングは、層応力が異なる２つ以上の共通の組成の層を含んでもよい。一方の基板表面上の多層コーティングは例えば、１つのＳｉＯ２の層及び１つのＴａ２Ｏ５の層を含んでよく、他方の基板表面上の多層コーティングは、１つのＳｉＯ２の層及び１つのＴａ２Ｏ５の層を含んでよく、上記一方の基板表面上のＳｉＯ２の層は、上記他方の基板表面上のＳｉＯ２の層よりも高い又は低い圧縮応力又は引張応力を有し、上記一方の基板表面上のＴａ２Ｏ５の層は、上記他方の基板表面上のＴａ２Ｏ５の層よりも高い又は低い圧縮応力又は引張応力を有する。
【００６７】
上述のように、コーティング応力は、図６に示す光学素子に関するコーティングの設計では考慮されなかった。ビーム分割コーティングに関して図６で明らかなムラ含有表面は、入射光の波面の歪みをもたらす。波面の歪みは、光学素子の１つ以上の基板表面上の１つ以上の層の応力を制御することによって低減できる。一実施形態では、波面の歪みは、２つ以上の基板表面上に配置されたコーティングの相殺又は補償応力によって低減される。上記相殺又は補償応力は、応力の平衡化をもたらし、これは表面フィギュア及び表面フィギュアの非平面状歪みを低減する。
【００６８】
一方の基板表面上のコーティングの圧縮応力は、基板の他方の表面上の圧縮応力によって平衡化できる。一方の基板表面上のコーティングの引張応力は、基板の他方の表面上の引張応力によって平衡化できる。上記２つの基板表面は、隣接する又は対向するものとすることができ、応力の平衡化は部分的なものであっても完全なものであってもよい。応力が完全に平衡化される状況では、コーティングの表面は平面となり、波面の歪みが排除される。アプローチが応力の完全な平衡化に近いほど、コーティング表面が平面に近くなり、また波面の歪みが小さくなる。
【００６９】
実施形態では、一方の基板表面上のコーティングの圧縮応力は、基板の他方の表面上のコーティングの圧縮応力の７５％〜１２５％、又は８０％〜１２０％、又は８５％〜１１５％、又は９０％〜１１０％、又は９５％〜１０５％である。例えば、一方の基板表面上のコーティングの圧縮応力が１００ＭＰａである場合、基板の他方の表面上のコーティングの圧縮応力は、７５ＭＰａ〜１２５ＭＰａ、又は８０ＭＰａ〜１２０ＭＰａ、又は８５ＭＰａ〜１１５ＭＰａ、又は９０ＭＰａ〜１１０ＭＰａ、又は９５ＭＰａ〜１０５ＭＰａである。
【００７０】
実施形態では、一方の基板表面上のコーティングの引張応力は、基板の他方の表面上のコーティングの引張応力の７５％〜１２５％、又は８０％〜１２０％、又は８５％〜１１５％、又は９０％〜１１０％、又は９５％〜１０５％である。例えば、一方の基板表面上のコーティングの引張応力が１００ＭＰａである場合、基板の他方の表面上のコーティングの引張応力は、７５ＭＰａ〜１２５ＭＰａ、又は８０ＭＰａ〜１２０ＭＰａ、又は８５ＭＰａ〜１１５ＭＰａ、又は９０ＭＰａ〜１１０ＭＰａ、又は９５ＭＰａ〜１０５ＭＰａである。
【００７１】
実施形態では、一方の基板表面上のコーティングの圧縮応力は、対向する基板表面上のコーティングの圧縮応力の７５％〜１２５％、又は８０％〜１２０％、又は８５％〜１１５％、又は９０％〜１１０％、又は９５％〜１０５％である。例えば、一方の基板表面上のコーティングの圧縮応力が１００ＭＰａである場合、対向する基板表面上のコーティングの圧縮応力は、７５ＭＰａ〜１２５ＭＰａ、又は８０ＭＰａ〜１２０ＭＰａ、又は８５ＭＰａ〜１１５ＭＰａ、又は９０ＭＰａ〜１１０ＭＰａ、又は９５ＭＰａ〜１０５ＭＰａである。これらの対向する基板表面は平行であってよい。
【００７２】
実施形態では、一方の基板表面上のコーティングの引張応力は、対向する基板表面上のコーティングの引張応力の７５％〜１２５％、又は８０％〜１２０％、又は８５％〜１１５％、又は９０％〜１１０％、又は９５％〜１０５％である。例えば、一方の基板表面上のコーティングの引張応力が１００ＭＰａである場合、対向する基板表面上のコーティングの引張応力は、７５ＭＰａ〜１２５ＭＰａ、又は８０ＭＰａ〜１２０ＭＰａ、又は８５ＭＰａ〜１１５ＭＰａ、又は９０ＭＰａ〜１１０ＭＰａ、又は９５ＭＰａ〜１０５ＭＰａである。これらの対向する基板表面は平行であってよい。
【００７３】
コーティングの表面における干渉縞数は、基板の異なる複数の表面上のコーティングの応力の平衡化によって低減できる。コーティングの表面での、６３２．８ｎｍにおける干渉縞数は、０．２０未満、又は０．１５未満、又は０．１０未満、又は０．０７５未満、又は０．０５０未満、又は０．０２５未満であってよい。２つ以上のコーティングそれぞれの表面での、６３２．８ｎｍにおける干渉縞数は、０．２０未満、又は０．１５未満、又は０．１０未満、又は０．０７５未満、又は０．０５０未満、又は０．０２５未満であってよい。
【実施例】
【００７４】
応力平衡化の概念は、以下の代表的な実施例を用いて例示できる。
【００７５】
実施例１
ビーム分割コーティング及び反射防止コーティングを備える溶融シリカ基板を用いた光学素子について説明する。溶融シリカ基板（Ｃｏｒｎｉｎｇ，  Ｉｎｃ．製ＨＰＦＳ  ７９８０）を、長さ１１５ｍｍ、幅６６ｍｍ及び厚さ８ｍｍの厚板の形状とした。この溶融シリカ基板は、前面及び背面を含み、上記前面及び背面は平行な対向表面であった。上記ビーム分割コーティングは上記前面上に形成され、上記反射防止コーティングは上記背面上に形成された。上記前面及び上記背面を研磨した後で上記コーティングを堆積させ、上記前面及び上記背面の波面の歪みを、研磨後かつ上記コーティングの堆積前に測定した。
【００７６】
上記ビーム分割コーティングは、２３周期のＴａ２Ｏ５／ＳｉＯ２からなり、第１の周期のＴａ２Ｏ５層は溶融シリカ基板の前面上に直接堆積され、第１の周期のＳｉＯ２層は上記Ｔａ２Ｏ５層上に直接堆積され、２３周期の多層コーティングが形成されるまで、交互のＴａ２Ｏ５層及びＳｉＯ２層を堆積させた。各周期のＴａ２Ｏ５の厚さは５８ｎｍであり、各周期のＳｉＯ２の厚さは３６．９ｎｍであった。Ｔａ２Ｏ５層及びＳｉＯ２層は、上述のＰＩＡＤ技法によって、１２０℃において、それぞれ０．１７ｎｍ／秒及び０．２５ｎｍ／秒の速度並びに１１５Ｖ及び１１０Ｖのバイアス電圧で堆積された。上述の式（２）、及び堆積前後の干渉縞数の差を用いて、Ｔａ２Ｏ５層の応力は１３５ＭＰａ（引張応力）と決定され、ＳｉＯ２層の応力は２４０ＭＰａ（圧縮応力）と決定された。
【００７７】
反射防止コーティングは、溶融シリカ基板の背面上に直接堆積された９ｎｍ厚のＴａ２Ｏ５層からなり、９７ｎｍ厚のＭｇＦ２層を、上記９ｎｍ厚のＴａ２Ｏ５層上に直接堆積させた。上記Ｔａ２Ｏ５層は、上述のＰＩＡＤ技法で堆積させた。上記ＭｇＦ２層は、上述の蒸着技法で堆積させた。
【００７８】
コーティングの表面フィギュアを、干渉縞数の測定によって決定した。干渉縞数を、８５０ｎｍ及び垂直な入射角で、低コヒーレンス干渉法を用いて測定した。８５０ｎｍで測定した干渉縞数を、６３２．８ｎｍでの等価の干渉縞数に変換した。本明細書で報告される干渉縞数は、６３２．８ｎｍでの干渉縞数である。低コヒーレンス干渉法により、Ｓ１表面とＳ２表面とを分離できる。あるコーティングに関する表面フィギュアは、（上で定義されている）干渉縞数の変化Δｆとして報告され、この干渉縞数の変化は、コーティングの表面の干渉縞数と、コーティングが堆積されることになる未コーティング基板表面の干渉縞数との差である。
【００７９】
２つの試料の表面フィギュアを測定した。第１の試料は、基板の前面上にビーム分割コーティングを含み、基板の背面上には反射防止コーティングを含まなかった。ビーム分割コーティングの表面、及びビーム分割コーティングの堆積前の基板の前面に関して、別個の干渉縞数測定を実施した。これら２つの測定の干渉縞数の変化（Δｆ）は干渉縞０．８８０９個であることが分かり、これはビーム分割コーティングの表面フィギュアに対応していた。
【００８０】
第２の試料は、基板の背面上に反射防止コーティングを含み、基板の前面上にはビーム分割コーティングを含まなかった。反射防止コーティングの表面、及び反射防止コーティングの堆積前の基板の背面に関して、別個の干渉縞数測定を実施した。これら２つの測定の干渉縞数の変化（Δｆ）は干渉縞−０．０１４５個であることが分かり、これは反射防止コーティングの表面フィギュアに対応していた。
【００８１】
これらの結果は、ビーム分割コーティングの応力が圧縮応力であり、ビーム分割コーティングの表面及び基板の前面に凸状の変形を付与するよう作用し、その一方で反射防止コーティングの応力が引張応力であり、反射防止コーティングの表面及び基板の背面に凹状の変形を付与するよう作用することを示している。基板の前面と背面とは対向しているため、反射防止コーティングによって反射防止コーティング及び基板の背面に付与された凹状変形は、ビーム分割コーティングによってビーム分割コーティング及び基板の前面に付与された凸状変形を補強する。
【００８２】
基板の前面と背面とは平行であるため、前面上のビーム分割コーティング及び背面上の反射防止コーティングを含む光学素子は、ビーム分割コーティングの表面上に、背面上に反射防止コーティングを有する基板の前面上のビーム分割コーティングの表面の干渉縞数と、背面上に反射防止コーティングを有する基板の、コーティングされていない前面の干渉縞数との差に対応する、干渉縞０．８９５４個の表面フィギュアを示すと予想される。表面フィギュアが多いことは、ビーム分割コーティングに関する合計圧縮応力が大きいことを反映しており、これは光学素子のビーム分割コーティングに関して強い凸状の表面を提供すると予想される。同様に、反射防止コーティングの表面フィギュアは干渉縞−０．８９５４個であると予想され、これは、光学素子の反射防止コーティングに関する、合計引張応力及び強い凹状の表面を反映している。
【００８３】
本記載によると、ビーム分割コーティングの凸状表面変形は、基板の前面及び背面上に位置するコーティングの応力を平衡化することによって低減できる。応力平衡化の理想的な条件は、基板の前面及び背面上のコーティングの応力が、同一のタイプであり（即ち両方のコーティングが圧縮応力又は引張応力を有し）、かつ同一の大きさである場合に発生する。この理想的な条件に近いほど、応力の平衡化は完全になり、コーティングの表面フィギュアが少なくなる。
【００８４】
本実施例のビーム分割コーティングの表面フィギュアを低減するための１つの方法は、基板の背面上の圧縮応力を増大させることである。ビームスプリッタとしての適切な性能を維持するために、光学素子は背面上に反射防止コーティングを含む必要がある。しかしながらこの背面は、２つの反射防止層に加えて、背面上のコーティングの合計応力を圧縮応力とする１つ以上の応力補償層を更に含むように修正できる。１つ以上の上記応力補償層の厚さ及び／又は組成を調整することにより、基板の背面上の圧縮応力を増大させて、基板の前面上のビーム分割コーティングの圧縮応力を平衡化できる。１つ以上の応力補償層は、基板の背面上に直接形成され、反射防止コーティングは、応力補償層上に直接形成され、又は２つ以上の応力補償層が含まれる場合には、基板から最も離れた応力補償層上に直接形成される。ビームスプリッタとしての光学素子の性能を維持するために、１つ以上の応力補償層は、光学素子の動作の対象となる１つ以上の波長において高い透過率を有することが好ましい。
【００８５】
一実施形態では、光学的性能は、基板の一方の表面上のコーティングの応力補償層を、基板の他方の表面上のコーティング内の層と同一の組成を有するように選択することによって保証される。本実施例では例えば、基板の背面上のコーティングに関する応力補償層は、ビーム分割コーティングの層のうちの１つの組成を有することができる。実施形態はこのように限定されず、光学素子の目的とする使用法に適合した補償用応力及び光学特性を有するいずれの組成の応力補償層を用いることができる。
【００８６】
本実施例では、ビーム分割コーティングはＳｉＯ２の層及びＴａ２Ｏ５の層を含む。ＳｉＯ２はＴａ２Ｏ５より高い圧縮応力を有すると予想されるため、基板の背面上の応力補償層としてＳｉＯ２を含むことが好ましい。ＳｉＯ２の圧縮応力がより大きいことは、ビーム分割コーティングの応力の補償を、より薄いＳｉＯ２層を用いて達成できることを意味する。より薄い応力補償層は、プロセスコスト及び製造時間を削減するため好ましい。
【００８７】
この実施例におけるビーム分割コーティングと反射防止コーティングとの間の干渉縞数の差に基づき、式（２）を用いて、層応力２４０ＭＰａ及び厚さ１８１９ｎｍのＳｉＯ２層を、反射防止コーティングと共に基板の背面上に含めることにより、前面と背面との間で応力が平衡化され、この実施例の光学素子の波面の歪が最小化されると推定される。ある好ましい構成では、層応力２４０ＭＰａ及び厚さ１８１９ｎｍのＳｉＯ２層が基板の背面上に直接形成され、反射防止コーティングが、層応力２４０ＭＰａ及び厚さ１８１９ｎｍの上記ＳｉＯ２層上に直接形成される。
【００８８】
実施例２
本明細書で開示されている原理によると、ビーム分割コーティング中のＳｉＯ２の層応力の低減により、より薄いＳｉＯ２の層を基板の背面上の反射防止コーティングと組み合わせて使用した、基板の前面と背面との間の応力の平衡化が可能となる。本明細書に記載されているように、ＳｉＯ２の層応力は、ビーム分割コーティングのＳｉＯ２層の堆積時にＰＩＡＤプロセスで使用される運動量伝達Ｐを低減することによって低減できる。
【００８９】
この実施例では、実施例１に記載の層シーケンス、層厚さ及び層組成を有するビーム分割コーティング及び反射防止コーティングを備える、光学素子を考える。しかしながらＰＩＡＤ条件を調整して、ビーム分割コーティングのＳｉＯ２層の堆積中の運動量伝達を低減することにより、圧縮応力が２００ＭＰａのＳｉＯ２層を生成した。光学素子の他の全ての態様は、実施例１に記載したものと同一であった。
【００９０】
基板の前面上にビーム分割コーティングを備え、基板の背面上には反射防止コーティングを備えない試料の表面フィギュアを決定した。干渉縞数の測定を、ビーム分割コーティングの表面、及びビーム分割コーティングの堆積前の基板の前面に関して実施した。これら２つの測定の干渉縞数の変化（Δｆ）は干渉縞０．７７１４個であることが分かり、これはビーム分割コーティングの表面フィギュアに対応していた。ビーム分割コーティングの干渉縞数が０．８８０９（実施例１）から０．７７１４（実施例２）に減少したのは、実施例２のビーム分割コーティングにおいて、ＳｉＯ２に関する層応力が小さいことの結果である。
【００９１】
この実施例の光学素子の反射防止コーティングは、実施例１のものと同一であった。反射防止コーティングの干渉縞数の変化（Δｆ）を実施例１と同様に測定し、干渉縞−０．０１４５個であるものと決定した。
【００９２】
これらの結果は、ビーム分割コーティングの応力が圧縮応力であり、ビーム分割コーティングの表面及び基板の前面に凸状の変形を付与するよう作用し、その一方で反射防止コーティングの応力が引張応力であり、反射防止コーティングの表面及び基板の背面に凹状の変形を付与するよう作用することを示している。基板の前面と背面とは対向しているため、反射防止コーティングによって反射防止コーティング及び基板の背面に付与された凹状変形は、ビーム分割コーティングによってビーム分割コーティング及び基板の前面に付与された凸状変形を補強する。
【００９３】
基板の前面と背面とは平行であるため、前面上のビーム分割コーティング及び背面上の反射防止コーティングを含む光学素子は、ビーム分割コーティングの表面上に、背面上に反射防止コーティングを有する基板の前面上のビーム分割コーティングの表面の干渉縞数と、背面上に反射防止コーティングを有する基板の、コーティングされていない前面の干渉縞数との差に対応する、干渉縞０．７８５９個の表面フィギュアを示すと予想される。この表面フィギュアは、ビーム分割コーティングに関する合計圧縮応力を反映しており、これは光学素子のビーム分割コーティングに関して強い凸状の表面を提供すると予想される。同様に、反射防止コーティングの表面フィギュアは干渉縞−０．７８５９個であると予想され、これは、光学素子の反射防止コーティングに関する、合計引張応力及び強い凹状の表面を反映している。
【００９４】
この実施例におけるビーム分割コーティングと反射防止コーティングとの間の干渉縞数の差に基づき、式（２）を用いて、層応力２４０ＭＰａ及び厚さ１５９７ｎｍのＳｉＯ２層を、反射防止コーティングと共に基板の背面上に含めることにより、前面と背面との間で応力が平衡化され、この実施例の光学素子の波面の歪が最小化されると推定される。ある好ましい構成では、層応力２４０ＭＰａ及び厚さ１５９７ｎｍのＳｉＯ２層が基板の背面上に直接形成され、反射防止コーティングが、層応力２４０ＭＰａ及び厚さ１５９７ｎｍの上記ＳｉＯ２層上に直接形成される。
【００９５】
この実施例は、応力平衡化層の所与の層応力に関して、基板の反射防止側の上記応力平衡化層の厚さを、ビーム分割コーティングの層応力を低減することによって低減できることを示している。特に、層応力２４０ＭＰａの応力平衡化用ＳｉＯ２層の厚さは、ビーム分割コーティングのＳｉＯ２の層応力を２４０ＭＰａ（実施例１）から２００ＭＰａ（実施例２）に低減することにより、１８１９ｎｍから１５９７ｎｍに低減された。応力平衡化層に必要な厚さが低減されることにより、応力平衡化済み光学素子の製造中のプロセス効率が改善され、プロセス速度が上昇する。
【００９６】
実施例３
この実施例では、実施例１及び実施例２の光学素子と同様の光学素子について説明する。実施例１及び実施例２と同様、基板は、長さ１１５ｍｍ、幅６６ｍｍ及び厚さ８ｍｍの厚板の形状の溶融シリカ基板であった。この溶融シリカ基板は、前面及び背面を含み、上記前面及び背面は平行な対向表面であった。ビーム分割コーティングは上記前面上に形成され、反射防止コーティングは上記背面上に形成された。上記前面及び上記背面を研磨した後で上記コーティングを堆積させ、上記前面及び上記背面の波面の歪みを、研磨後かつ上記コーティングの堆積前に測定した。
【００９７】
この実施例で使用するビーム分割コーティングは、実施例１及び実施例２に記載のビーム分割コーティングの修正形態であり、各ＳｉＯ２層がフッ素ドープＳｉＯ２層で置換され、それ以外の、層の数、厚さ及びシーケンスは変更されなかった。フッ素でのＳｉＯ２のドープは、層応力を緩和することが知られている。従ってこの実施例のビーム分割コーティングは、実施例１及び実施例２のビーム分割コーティングよりも表面フィギュアが少ないと予想される。フッ素ドープＳｉＯ２層は、ＰＩＡＤを用いて堆積させた。フッ素ドーパント濃度は１．７重量％であり、条件を調整することにより、層応力２０ＭＰａのフッ素ドープＳｉＯ２層を生成した。この実施例のビーム分割コーティングのフッ素ドープＳｉＯ２層の数及び厚さは、実施例１及び実施例２に記載のビーム分割コーティングのＳｉＯ２層の数及び厚さと同一であった。この実施例のビーム分割コーティングのＴａ２Ｏ５層の数及び厚さは、実施例１及び実施例２に記載のビーム分割コーティングのＴａ２Ｏ５層の数及び厚さと同一であった。
【００９８】
基板の前面上にビーム分割コーティングを備え、基板の背面上には反射防止コーティングを備えない試料の表面フィギュアを決定した。干渉縞数の測定を、ビーム分割コーティングの表面、及びビーム分割コーティングの堆積前の基板の前面に関して実施した。これら２つの測定の干渉縞数の変化（Δｆ）は干渉縞０．２８９５個であることが分かり、これはビーム分割コーティングの表面フィギュアに対応していた。ビーム分割コーティングの干渉縞数が０．８８０９（実施例１）又は０．７７１４（実施例２）から０．２７８６（実施例３）に減少したのは、実施例３のビーム分割コーティングにおいて、フッ素ドープＳｉＯ２に関する層応力が小さいことの結果である。
【００９９】
この実施例の光学素子の反射防止コーティングは、実施例１のものと同一であった。反射防止コーティングの干渉縞数の変化（Δｆ）を実施例１と同様に測定し、干渉縞−０．０１４５個であるものと決定した。
【０１００】
基板の前面と背面とは平行であるため、前面上のビーム分割コーティング及び背面上の反射防止コーティングを含む光学素子は、ビーム分割コーティングの表面上に、背面上に反射防止コーティングを有する基板の前面上のビーム分割コーティングの表面の干渉縞数と、背面上に反射防止コーティングを有する基板の、コーティングされていない前面の干渉縞数との差に対応する、干渉縞０．２９３１個の表面フィギュアを示すと予想される。この表面フィギュアは、ビーム分割コーティングに関する合計圧縮応力を反映しており、これは光学素子のビーム分割コーティングに関して凸状の表面を提供すると予想される。同様に、反射防止コーティングの表面フィギュアは干渉縞−０．２９３１個であると予想され、これは、光学素子の反射防止コーティングに関する、合計引張応力及び凹状の表面を反映している。
【０１０１】
この実施例におけるビーム分割コーティングと反射防止コーティングとの間の干渉縞数の差に基づき、式（２）を用いて、層応力２４０ＭＰａ及び厚さ５９５ｎｍのＳｉＯ２層を、反射防止コーティングと共に基板の背面上に含めることにより、前面と背面との間で応力が平衡化され、この実施例の光学素子の波面の歪が最小化されると推定される。ある好ましい構成では、層応力２４０ＭＰａ及び厚さ５９５ｎｍのＳｉＯ２層が基板の背面上に直接形成され、反射防止コーティングが、層応力２４０ＭＰａ及び厚さ５９５ｎｍの上記ＳｉＯ２層上に直接形成される。
【０１０２】
特段の記載がない限り、本明細書に記載のいずれの方法も、その複数のステップをある特定の順序で実施することを必要とするものと解釈されることは一切意図されていない。従って、ある方法クレームが、その複数のステップが従うべき順序を実際に記載していない場合、又は請求項若しくは本記載中において、これらのステップがある特定の順序に限定されると具体的に言明されていない場合、いずれの特定の順序が推測されることは一切意図されていない。
【０１０３】
ここで例示された実施形態の精神又は範囲から逸脱することなく、様々な修正及び変形を実施できることは、当業者には明らかであろう。ここで例示された実施形態の精神及び本質を組み込んだ、本開の実施形態の修正、組み合わせ、部分的組み合わせ及び変形は、当業者に想起され得るものであるため、本記載は、添付の請求項及びその均等物の範囲内の全てを含むものと解釈されるものとする。 
【０１０４】
以下、本発明の好ましい実施形態を項分け記載する。
【０１０５】
実施形態１
第１の表面及び第２の表面を有する、基板；
上記第１の表面上の第１のコーティングであって、上記第１のコーティングは第１のコーティング応力を有し、第１の層を含み、上記第１の層は第１の材料を含み、上記第１の材料は上記第１の層内で第１の層応力を有する、第１のコーティング；
上記第２の表面上の第２のコーティングであって、上記第２のコーティングは第２のコーティング応力を有し、第２の層を含み、上記第２の層は上記第１の材料を含み、上記第１の材料は上記第２の層内で、上記第１の層応力より大きな第２の層応力を有する、第２のコーティング
を備える、光学素子。
【０１０６】
実施形態２
上記第１の表面及び上記第２の表面は対向している、実施形態１に記載の光学素子。
【０１０７】
実施形態３
上記第１の表面及び上記第２の表面は平行である、実施形態２に記載の光学素子。
【０１０８】
実施形態４
上記第１のコーティングはビーム分割コーティングである、実施形態１〜３のいずれか１つに記載の光学素子。
【０１０９】
実施形態５
上記第２のコーティングは反射防止コーティングである、実施形態１〜４のいずれか１つに記載の光学素子。
【０１１０】
実施形態６
上記第１の材料は酸化物を含む、実施形態１〜５のいずれか１つに記載の光学素子。
【０１１１】
実施形態７
上記第１の材料はＳｉＯ２である、実施形態１〜６のいずれか１つに記載の光学素子。
【０１１２】
実施形態８
上記第１の層応力は２４０ＭＰａ未満である、実施形態１〜７のいずれか１つに記載の光学素子。
【０１１３】
実施形態９
上記第２の層応力は２４０ＭＰａ以上である、実施形態１〜８のいずれか１つに記載の光学素子。
【０１１４】
実施形態１０
上記第１の層応力は圧縮応力であり、上記第２の層応力は圧縮応力である、実施形態１〜９のいずれか１つに記載の光学素子。
【０１１５】
実施形態１１
上記第１のコーティング応力は、上記第２のコーティング応力の７５％〜１２５％である、実施形態１０に記載の光学素子。
【０１１６】
実施形態１２
上記第１のコーティング応力は、上記第２のコーティング応力の９５％〜１０５％である、実施形態１０に記載の光学素子。
【０１１７】
実施形態１３
上記第１のコーティングの表面における干渉縞数は、６３２．８ｎｍにおいて０．０５未満である、実施形態１〜１２のいずれか１つに記載の光学素子。
【０１１８】
実施形態１４
上記第１のコーティングは第３の層を更に含み、上記第３の層は第２の材料を含み、上記第２の材料は上記第１の材料と組成が異なる、実施形態１〜１３のいずれか１つに記載の光学素子。
【０１１９】
実施形態１５
上記第２の材料は酸化物である、実施形態１４に記載の光学素子。
【０１２０】
実施形態１６
上記第２のコーティングは第３の層を更に含み、上記第３の層は第２の材料を含み、上記第２の材料は上記第１の材料と組成が異なる、実施形態１〜１３のいずれか１つに記載の光学素子。
【０１２１】
実施形態１７
上記第２の材料は金属フッ化物である、実施形態１６に記載の光学素子。
【０１２２】
実施形態１８
上記第１のコーティングは複数の上記第１の層を含む、実施形態１〜１７のいずれか１つに記載の光学素子。
【０１２３】
実施形態１９
上記第１のコーティングは複数の第３の層を更に含み、各上記第３の層は第２の材料を含み、上記第２の材料は上記第１の材料と組成が異なる、実施形態１８に記載の光学素子。
【０１２４】
実施形態２０
上記複数の第１の層及び上記複数の第３の層は交互配列で配設される、実施形態１９に記載の光学素子。
【０１２５】
実施形態２１
上記第１の材料はＳｉＯ２を含み、上記第２の材料は金属酸化物を含む、実施形態１８〜２０のいずれか１つに記載の光学素子。
【０１２６】
実施形態２２
上記第２のコーティングは第４の層を更に含み、上記第４の層は第３の材料を含み、上記第３の材料は上記第１の材料と組成が異なる、実施形態１８〜２０のいずれか１つに記載の光学素子。
【０１２７】
実施形態２３
上記第１の材料は酸化物を含み、上記第３の材料は金属フッ化物を含む、実施形態２２に記載の光学素子。
【０１２８】
実施形態２４
第１の表面及び第２の表面を有する、基板；
上記第１の表面上の第１のコーティングであって、上記第１のコーティングは第１の層を含み、上記第１の層は第１の材料を含み、上記第１の材料は上記第１の層内で第１の密度を有する、第１のコーティング；
上記第２の表面上の第２のコーティングであって、上記第２のコーティングは第２の層を含み、上記第２の層は上記第１の材料を含み、上記第１の材料は上記第２の層内で、上記第１の密度より大きな第２の密度を有する、第２のコーティング
を備える、光学素子。
【０１２９】
実施形態２５
光学素子を形成する方法であって、
上記光学素子は：
基板の第１の表面上に第１のコーティングを形成するステップであって、上記第１のコーティングは第１のコーティング応力を有し、第１の層を含み、上記第１の層は第１の材料を含み、上記第１の材料は上記第１の層内で第１の層応力を有する、ステップ；及び
上記基板の第２の表面上に第２のコーティングを形成するステップであって、上記第２のコーティングは第２のコーティング応力を有し、第２の層を含み、上記第２の層は上記第１の材料を含み、上記第１の材料は上記第２の層内で、上記第１の層応力より大きな第２の層応力を有する、ステップ
を備える、方法。
【０１３０】
実施形態２６
上記第１のコーティングを形成する上記ステップは、プラズマイオン支援堆積を用いて上記第１の材料を成形するステップを含む、実施形態２５に記載の方法。
【０１３１】
実施形態２７
上記第２のコーティングを形成する上記ステップは、プラズマイオン支援堆積を用いて上記第１の材料を成形するステップを含む、実施形態２５又は２６に記載の方法。
【０１３２】
実施形態２８
上記第１の材料は酸化物を含む、実施形態２５〜２７のいずれか１つに記載の方法。
【０１３３】
実施形態２９
上記第１の材料はＳｉＯ２を含む、実施形態２５〜２７のいずれか１つに記載の方法。
【０１３４】
実施形態３０
上記第１の層応力は圧縮応力であり、上記第２の層応力は圧縮応力である、実施形態２５〜２９のいずれか１つに記載の方法。
【０１３５】
実施形態３１
上記第１のコーティング応力を相殺するために、上記第２の層内の上記第１の材料の厚さを制御するステップを更に含む、実施形態２５〜３０のいずれか１つに記載の方法。
【０１３６】
実施形態３２
上記第１のコーティング応力を相殺するために、上記第２の層応力を制御するステップを更に含む、実施形態２５〜３１のいずれか１つに記載の方法。
【０１３７】
実施形態３３
上記第１のコーティングを形成する上記ステップは、第３の層を形成するステップを更に含み、上記第３の層は第２の材料を含み、上記第２の材料は上記第１の材料と組成が異なる、実施形態２５〜３２のいずれか１つに記載の方法。
【０１３８】
実施形態３４
上記第１の材料は酸化物を含み、上記第３の材料は酸化物を含む、実施形態３３に記載の方法。
【０１３９】
実施形態３５
上記第１のコーティングを形成する上記ステップは、複数の上記第１の層及び複数の上記第３の層を形成するステップを更に含む、実施形態３３又は３４に記載の方法。
【０１４０】
実施形態３６
上記第１のコーティングを形成する上記ステップは、上記第１の層と上記第３の層との交互配列を形成するステップを更に含む、実施形態３５に記載の方法。
【０１４１】
実施形態３７
上記第２のコーティングを形成する上記ステップは、第４の層を形成するステップを更に含み、上記第４の層は第３の材料を含み、上記第３の材料は上記第１の材料と組成が異なる、実施形態３６に記載の方法。
【０１４２】
実施形態３８
上記第３の材料は金属フッ化物を含む、実施形態３７に記載の方法。
【符号の説明】
【０１４３】
１０      光学素子
１０      ＰＩＡＤ堆積装置
１５      基板
２０      前面
２０      蒸気フラックス
２１      基板
２２      プラズマ
２３      プラズマ源
２４      反転マスク
２５      背面
２６      真空チャンバ
２８      電子ビーム
２９      標的
３０      入射光
３５      反射光
４０      透過光
【図１】
2019523448.tif 000006
【図２】
2019523448.tif 000007
【図３】
2019523448.tif 000008
【図４】
2019523448.tif 000009
【図５】
2019523448.tif 000010
【図６】
2019523448.tif 000011
【図７】
2019523448.tif 000012
【国際調査報告】
2019523448.tif 000013
2019523448.tif 000014
2019523448.tif 000015